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如何选择合适化工催化剂——催化剂活性

发布时间:2021-06-17 15:00人气:

化工催化剂种类繁多,应用极为广泛,同一反应甚至同一装置的不同催化剂的性能也差别很大,那么什么样的催化剂才是好的化工催化剂,化工催化剂又该怎样评价呢?选择一款化工催化剂要注重哪些指标呢?


一般而言,衡量一个化工催化剂的质量与效率,主要是活性、选择性和稳定性这3项综合指标。与这3项相关的还有,催化剂的机械强度、抗毒性、几何物理性质、宏观和微观的物理结构、经济性能等。比较全面的性能概况如下表。

催化剂性能表


催化剂性能通常是指活性、选择性和稳定性,稳定性包括化学稳定性(抗毒性)和物理稳定性(耐热性、机械强度)。


 催化剂活性

根据催化剂的定义和作用,催化剂的活性是指催化剂加快反应速率的程度的一种度量。严格地说,催化剂的活性应该是指催化反应速率与非催化速率之间的差值。由于通常情况下非催化速率小到可以忽略,所以催化剂的活性就是催化反应速率。表达催化剂活性的还可以是转化频率或转化率。

(1) 反应速率:反应速率的定义为用单位时间内反应物或生成物的物质的量来表示。

由于反应速率还与催化剂的体积、质量或表面积有关,所以必须引进比速率的概念,分别用体积比速率、质量比速率和面积比速率。

在某些情况下,用催化剂单位质量作为标志,表示催化剂的活性比较方便。

在化工生产中,催化剂的生产能力大多数是以催化剂单位体积为基准,所以这是反应速率应该以单位溶剂表示。

当比较固体物质的固有催化剂性质时,应当以催化剂单位面积上的反应速率作为标准,因为多项催化反应仅在固体的表面发生。


(2)转换频率(TOF)

  在反应速率的三种表达方式中,以面积速率为最好,因为催化反应是在表面上发生的。然而,相同表面积的催化剂表面上活性位浓度(或密度)可能并不一样,因此根据活性位数来表征反应速率视乎更能接近催化剂的本质速率。借用酶化学中转化数的概念,在催化中引入了转化频率概念。

TOF又称转换速率,是指反应在给定温度、压力、反应物组成和流速(流量)以及一定反应度的条件下,在单位时间、单位活性位上发生的反应的次数,以TOF表示。由于活性位的测定比较困难且TOF不是速率常数,跟反应条件有关,因此工业上很少用到TOF。

(3)转化率

对于活性的表达方式,更为直观的指标就是转化率。工业上常用这一参数衡量催化剂性能。转化率的定义为:

转化率公式


引入这个参数时,必须注明反应物料与催化剂的接触时间,否则就无速率的概念了。因此,工业实践中引入空速和时空得率两个参数。

空速就是在流动体系中,物料的流速(单位时间的体积)除以催化剂的体积就是体积空速,单位h-1,用Sv或GHSV表示。

空速的倒数表示反应物料与催化剂接触的平均时间。

时空得率,即常用指标STY。时空得率为每小时每立方催化剂所得产物的量。该量虽然很直观,但因与操作条件有关,因此不十分确切。

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